一种水泥基电磁显影复合材料、制备方法及其应用与流程

本发明属于工程物探、检测领域，特别涉及一种水泥基电磁显影复合材料、制备方法及其应用。

背景技术：

通过探地雷达进行工程物探、工程质量检测中是一种重要的探测方式，探地雷达的探测步骤一般是，首先探地雷达利用发射天线发射频率范围介于1mhz-10ghz的高频短脉冲电磁波，其后当电磁波遇到地层内相对介电常数不同的介质后，电磁波在介质表面会产生折射与反射，其后探地雷达的接收天线接收到的反射波信号进行分析，便能够对探测目标的深度，介质的性质及结构进行描述。

在探测过程中，地层内不同介质的介电常数是影响探测效果的关键因素，目前，地层内的介质，例如岩石/混凝土界面，介电常数十分相近，导致探地雷达的探测深度和探测精度不足，探测效果不佳。因此，如何提高探测效果，是目前急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决上述背景技术中的技术问题，提供一种水泥基电磁显影复合材料，其能够克服目前探测深度和探测精度不足，探测效果不佳的技术问题，介电常数高，显影效果好。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种水泥基电磁显影复合材料，按重量份数计，由水泥100份、纳米石墨烯0.4-0.6份、纳米fe304粉末0.4-0.6份和石墨烯分散剂0.1-0.5份组成。

本发明的原理是：

本发明以水泥为基体，以纳米石墨烯和纳米fe304粉末为填充剂。其中，纳米fe304粉末作为高导电性的电荷载体的快速传输通道，能够形成独特的网络反射结构，可以使水泥具有更加优良的电磁效能；石墨烯是一种理想的电磁材料，硬度和厚度适宜，具有优异的导热性、导电性和磁性；石墨烯分散剂能迅速降低浆料的粘度，增加分散性、流动性，防止石墨烯团聚返粗。本发明配方得到的水泥基电磁显影复合材料渗透效果好，且增强界面的反射效果，介电常数高。

本发明的有益效果是：本发明通过在水泥中加入纳米石墨烯、纳米fe304粉末和分散剂，得到一种水泥基电磁显影复合材料。现有技术的普通水泥浆料的相对介电常数为7.02-7.12，而本发明得到的水泥基电磁显影复合材料的相对介电常数为8.46-8.58，远远高于现有技术的普通水泥浆料的相对介电常数，能够对地下介电常数相近的地质介质产生显影作用，增强界面的反射效果，增加探地雷达的探测深度和精度。

作为优选，所述石墨烯分散剂为水性石墨烯分散剂。

通过加入石墨烯分散剂能迅速降低浆料的粘度，增加分散性、流动性，提高分散后浆料粘度稳定性，分散均匀，防止石墨烯团聚返粗。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述水泥基电磁显影复合材料，按重量份数计，由水泥100份、纳米石墨烯0.5份、纳米fe304粉末0.5份和分散剂0.2份组成。

采用上述进一步方案的有益效果是在石墨烯和纳米fe304粉末均为0.5重量份时，介电常数值提高效果稳定。

进一步，所述水泥为硅酸盐水泥，水灰比为0.4-0.6。

可以理解的是，上述硅酸盐水泥的选择不作具体限定，具体可以采用水泥强度为32.5的普通硅酸盐水泥、水泥强度为42.5的普通硅酸盐水泥或者水泥强度为42.5r的普通硅酸盐水泥。

采用上述进一步方案的有益效果是本发明的原材料来源广泛，简单易得，具有较好的经济效益。

进一步，所述纳米石墨烯为单层纳米石墨烯、双层纳米石墨烯和多层纳米石墨烯中的至少一种。

进一步，所述石墨烯分散剂为石墨烯分散剂为无机分散剂和/或有机分散剂。

进一步，所述无机分散剂是硅酸钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和焦磷酸钠中的至少一种；所述有机分散剂是三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷桐、聚丙烯酸钠和聚丙烯酰胺中的至少一种。

本发明还提供一种上述水泥基电磁显影复合材料的制备方法。本发明的水泥基电磁显影复合材料的制备过程，是在磁场的作用下完成的。纳米石墨烯分子和纳米fe304分子从随机分布转为定向排列，从而能够提升水泥的介电常数，提高反射系数，实现了更好的反射效果。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种水泥基电磁显影复合材料，其包括如下步骤：按重量份数计，取水泥100份、纳米石墨烯0.4-0.6份、纳米fe304粉末0.4-0.6份和分散剂0.1-0.5份，在磁场作用下，向水泥中分别掺入纳米石墨烯、纳米fe304粉末和分散剂，混合均匀，即得到水泥基电磁显影复合材料。

本发明的有益效果是：

1、在磁场作用下，纳米石墨烯分子和纳米fe304分子从随机分布转为定向排列，从而能够提升水泥材料整体的介电常数，提高反射系数，实现了更好的反射效果。

2、本发明的制备方法简单，操作容易，市场前景广阔，适合规模化生产。

进一步，所述磁场的磁场强度为1.3-1.7t。

本发明还再提供一种上述水泥基电磁显影复合材料的应用。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：上述水泥基电磁显影复合材料在地质探测中的应用。

本发明的有益效果是：本发明得到的水泥基电磁显影复合材料可以用于地质探测，探测成本较小，显影效果较好，即配即用，对工程实施及地质体透明化具有重要意义。

应用的具体方法是：将上述水泥基电磁显影复合材料注入到地层中，待注入地层中的水泥基电磁显影复合材料固化，通过探地雷达对地层进行探测。

在将本发明得到的水泥基电磁显影复合材料注入地层中后，在压力和重力作用下，水泥基电磁显影复合材料可以渗入到岩石空隙之中，由此增大了地层中不同介质表面的介电常数的差异，效果稳定，且操作方便。

附图说明

图1为本发明的实验例中，将实施方式1、实施方式2、实施方式3以及对比方式1、对比方式2得到的水泥基电磁显影复合材料分别注入模具中成型的产品图。图中，从左至右，分别为对比方式1、对比方式2、实施方式1、实施方式2和实施方式3注入模具中成型的产品图。

图2为本发明的实验例中，将实施方式1、实施方式2、实施方式3以及对比方式1、对比方式2得到的水泥基电磁显影复合材料分别进行养护后的产品图。图中，从左至右，分别为对比方式1、对比方式2、实施方式1、实施方式2和实施方式3养护后的产品图。

图3为本发明的实验例中，将实施方式1、实施方式2、实施方式3以及对比方式1、对比方式2得到的水泥基电磁显影复合材料进行相对介电常数的测试结果的装置结构图。图中，1为地质雷达主机，2为升降架，3为固定架，4为地质雷达天线，5为花岗岩石板，6为试件，7为小车，8为控制开关。

图4为本发明的实验例中，将本发明实施方式3得到的水泥基电磁显影复合材料产品，通过探地雷达进行电磁波测试的结果图。

图5为本发明的实验例中，将素水泥产品，通过探地雷达进行电磁波测试的结果图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式和对比例对本发明做进一步的详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施方式仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施方式中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用设备、试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施方式1

本方式提供的水泥基电磁显影复合材料，按重量份数计，所述复合材料由硅酸盐水泥100重量份、双层纳米石墨烯0.4重量份、纳米fe304粉末0.4重量份和三聚磷酸钠0.1重量份组成，其中硅酸盐水泥的水灰比为0.6。

上述水泥基电磁显影复合材料的制备方法，包括如下步骤：

取硅酸盐水泥100重量份、纳米石墨烯0.4重量份、纳米fe304粉末0.4重量份和石墨烯分散剂0.1重量份,在磁场强度为1.3t的磁场作用下，向100重量份硅酸盐水泥中分别掺入0.4重量份纳米石墨烯、0.4重量份纳米fe304粉末和0.1重量份石墨烯分散剂，混合均匀，即得到水泥基电磁显影复合材料。

实施方式2

本方式提供的水泥基电磁显影复合材料，按重量份数计，所述复合材料由硅酸盐水泥100重量份、四层纳米石墨烯0.6重量份、纳米fe304粉末0.6重量份和十二烷基硫酸钠0.5重量份组成，其中硅酸盐水泥的水灰比为0.4。

上述水泥基电磁显影复合材料的制备方法，包括如下步骤：取硅酸盐水泥100重量份、纳米石墨烯0.6重量份、纳米fe304粉末0.6重量份和聚丙烯酰胺0.5重量份，在磁场强度为1.7t的磁场作用下，向100重量份硅酸盐水泥中分别掺入0.6重量份纳米石墨烯、0.6重量份纳米fe304粉末和0.5重量份石墨烯分散剂，混合均匀，即得到水泥基电磁显影复合材料。

实施方式3

本方式提供的水泥基电磁显影复合材料，按重量份数计，所述复合材料由硅酸盐水泥100重量份、单层纳米石墨烯0.5重量份、纳米fe304粉末0.5重量份和石墨烯分散剂0.3重量份组成，其中硅酸盐水泥的水灰比为0.5。

上述水泥基电磁显影复合材料的制备方法，包括如下步骤：取硅酸盐水泥100重量份、纳米石墨烯0.5重量份、纳米fe304粉末0.5重量份和石墨烯分散剂0.3重量份，在磁场强度为1.5t的磁场作用下，向100重量份硅酸盐水泥中分别掺入0.5重量份纳米石墨烯、0.5重量份纳米fe304粉末和0.3重量份石墨烯分散剂，混合均匀，即得到水泥基电磁显影复合材料。

对比方式1

本对比方式1提供的水泥基电磁显影复合材料的原料，与实施方式3的区别是，只有硅酸盐水泥，未有纳米石墨烯、纳米fe304粉末和石墨烯分散剂。

本对比方式1提供的水泥基电磁显影复合材料的制备方法，与实施方式3的区别在于，未取纳米石墨烯、纳米fe304粉末和石墨烯分散剂，硅酸盐水泥在磁场作用下直接熟化成型，其余相同。

对比方式2

本对比方式2提供的水泥基电磁显影复合材料的原料，与实施方式3未有区别。本对比方式2提供的水泥基电磁显影复合材料的制备方法，与实施方式3的区别在于，硅酸盐水泥、纳米石墨烯、纳米fe304粉末和石墨烯分散剂是在未有磁场作用的情况下混合而成，其余都相同。

将上述实施方式1至3，以及对比方式1、对比方式2得到的水泥基电磁显影复合材料分别注入模具中成型的产品图，如图1所示。

其后，将上述成型的水泥基电磁显影复合材料分别脱模后，浸泡在水里养护7天，再取出后的产品图，如图2所示。

其后，将上述养护后的水泥基电磁显影复合材料产品按照如图3所示的装置进行测试安装，图3中的试件是指实施方式1至3以及对比方式1、对比方式2分别脱模后，浸泡在水里养护7天，再取出后的产品。其中，实施方式1至实施方式3以及对比方式1的相对介电常数的测试结果如下表1：

表1

需要注意的是，根据相对介电常数计算公式可计算出试件的相对介电常数，相对介电常数计算公式如下：其中vk表示雷达波在空气中的传播速度，vk＝30cm/ns；vw是雷达波在试件中的传播速度；通过地质雷达数据处理软件radan，读取雷达波在模型内经过的时间δt，试件厚度h已知，可计算出雷达波在试件中的传播速度,即vw＝2h/δt。

由表1可知，对比方式1的相对介电常数为7.02-7.12，而实施方式1至实施方式3得到的水泥基电磁显影复合材料的相对介电常数为8.46-8.58，远远高于对比方式1的相对介电常数，能够对地下介电常数相近的地质介质产生显影作用，增强界面的反射效果，增加探地雷达的探测深度和精度。

实施方式1至实施方式3以及对比方式2的相对介电常数的测试结果如下表2：

表2

由表2可知，对比方式2的相对介电常数为8.1796，而实施方式1至实施方式3得到的水泥基电磁显影复合材料的相对介电常数为8.46-8.58，远远高于对比方式2的相对介电常数，通过磁场作用下，能够提升水泥的介电常数，提高反射系数，实现了更好的反射效果。

另外，我们还通过探地雷达设备对实施方式3得到的水泥基电磁显影复合材料产品和对比方式1进行电磁波测试，测试结果分别如图4和图5所示。

通过图4可知，探测电磁波在经过本发明实施方式3得到的水泥基电磁显影复合材料产品时显示出较为明显的振幅变化。

通过图5可知，探测电磁波在经过本发明对比方式1得到的水泥基电磁显影复合材料产品时振幅变化不明显。

结论：

结合图4和图5可知，本发明实施方式3得到的水泥基电磁显影复合材料产品能够有效增大了地层中不同介质表面的介电常数的差异，增强了反射效果。

实施方式4

本方式提供一种上述水泥基电磁显影复合材料的应用，将上述实施方式1至3得到的水泥基电磁显影复合材料注入到地层中，待注入地层中的水泥基电磁显影复合材料固化，通过探地雷达对地层进行探测。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。